基本信息
- 项目名称：
- 节能型集成式污水深度处理装置
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”作品
- 小类：
- 能源化工
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 简介：
- 本科技发明是针对深度污水处理所存在的处理工艺复杂，生物曝气能耗大、效率偏低，污水处理中双膜工艺成本偏高，占地面积较大，操作费用高等一系列问题，采用微纳米曝气与纳滤净化系统相结合的污水处理技术，使含有高COD的有机废水经过处理后达到国家有关污水标准，并且为国家“十二五”计划提出的工业低能耗环保高效的目标提供可行性技术方案。
- 详细介绍：
- 1、本作品的使用无泡曝气同好氧菌共同对污水进行曝气，是新一代的高效节能环保技术。无泡曝气生物反应器主要由自制聚偏氟乙烯微滤中空纤维丝与好氧菌组成。其中中空纤维膜既对生物膜供氧，又是生物膜附着的载体。在水处理中，常规曝气的能耗占整个流程装置中的约90%以上。与常规曝气相比，无泡曝气的最大优点就是大大降低了能耗。采用中空纤维膜进行微纳米气泡曝气还具有如下优点：（1）由于曝气不产生气泡或者产生的纳米气泡不可见氧直接以分子状态扩散进入生物膜，几乎百分之百地被吸收，传质效率可高达100％，因此溶解氧不再是限制微生物生长的决定因素。（2）由于生物膜生长在中空纤维膜的外表面，所以在供氧过程中，生物膜不会受到气体摩擦，不易脱落。（3）曝气过程不产生气泡，避免了传统曝气时污水中易挥发性物质如甲苯、苯酚随气泡进入大气而对环境造成的污染，同时不会由于表面活性剂的存在而产生泡沫。（4）曝气过程中气液两相分离，溶液的混合与供氧互不干扰，因此可以各自独立设计，反应器的形式更加灵活多变。（5）中空纤维膜的比表面积高，为氧的传递和生物膜的生长提供了巨大的表面积，有利于反应器向小型化发展。（6）反应器中气液两相分离，气体压力不受容器内混合、状态的影响，因此，可以通过调节气体压力的办法来控制氧的供应。对于一般废水，通过供氧控制，在保证生物膜生长需氧的同时，可以避免因过量曝气而使污水中O2浓度过高，大幅度降低运行费用。（7）总之，使用无泡曝气能使能耗大大降低，减少运行费用。 可以看到，无泡曝气比普通曝气性能好，但发展还不够成熟，不能广泛用于工业生产中。于是，我们要研究无泡曝气并将其应用于污水处理中，为今后发展无泡曝气处理污水工业提出可能并指引方向。 2、使用纳滤膜进行污水深度处理： 纳滤膜技术的特点决定了其在污水深度处理方面具有独特的作用，2010年在《Nature》杂志上关于污水处理方面Yale大学的水处理专家提出了用纳滤膜过程取代目前先进的双膜工艺的设想，与用超滤和反渗透过滤组成的双膜工艺相比，纳滤同时在兼有超滤与反渗透组成的双膜工艺所达到的工艺水平的同时，又能克服双膜工艺的不足。主要表现在在于操作压力低，产水质量高于超滤膜，节约能源，减小空间使用，性价比优势明显。反渗透膜处理水之前对水的要求很高，需要超滤预先处理，截留有机物，胶体、蛋白质、部分菌类等；同时反渗透操作需要很大的压力，能源消耗大；再者，能耗低，膜通量高，易清洗，技术装备简单，投资少等优点，大大的提高纳滤膜在污水处理中的可应用性，具有很高的经济效益，但是，目前市场上所售的纳滤膜材料均比超滤与反渗透材料成本高，并且处于国外技术垄断状态，所以，制备低压、高通量、抗污染纳滤膜材料是目前科研的方向以及市场需求所向。本作品采用了自制的高通量抗污染Pluronic F127共混聚醚砜纳滤膜组件，在性能和实际应用上都得到了水处理专家的广泛好评。此纳滤膜最高通量在0.2MPa下可达到18.1±0.1 L/m2h，其操作压力远低于目前市场上普通纳滤膜（0.6～1.0MPa）,并且通量高于普通纳滤膜材料的3～4倍。其抗污染性能通过对蛋白质、海藻酸钠和腐植酸等污染物的考察，充分证明其高效抗污染性能。进一步的实验证实其具有优良的抗氧化性能。 使用本作品中的纳滤膜对污水进行深度处理，能有效去除水中的无机和有机污染物等有害物质，而且对现实的工业实践具有现实意义。既节约了操作成本，又提高了生产效率，为国家提出的节能高效环保减排的工业改革提供有效的技术支持。 3、自行设计实现连续处理：本作品自制了可使生物曝气与分离系统实现连续性的缓冲器，从而填补了目前大型污水处理厂和化工厂无法实现污水深度处理连续操作的空白。与此同时，应用化工仪表以及电工学知识，作品加入了可以实现自动化的连续控制系统，达到污水循环处理，为进一步工业应用提供可实现的依据。
作品图片
作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 1、采用了微纳米气泡曝气技术。污水深度处理的曝气装置占用整个污水处理能耗的80%~90%，而采用微纳米曝气技术可以被认为是取代高能耗普通生物曝气的新工艺，其优点在于其产生的气泡不可见或是不产生气泡，气泡上升速度慢，氧传质效率高能耗低等，已经成为未来生物曝气的发展方向和趋势。 2、自制高通量抗污染纳滤中空纤维膜。纳滤是介于超滤和反渗透之间的一种新型分离膜技术。由于纳滤膜具有纳米级的膜孔径，自制的Pluronic F127/PES抗污染高通量中空纤维纳滤膜可以有效的截留污染物，根据其特点，能够进一步取代目前先进的超滤、反渗透双膜工艺，减少处理工艺流程，降低操作成本以及费用。 3、连续性、自动化以及水的高效回收。本设计实现了污水的高效回收，并且实现了水处理工艺流程的连续性和自动化可控性，提供未来的污水处理模式的可实践性。 与此同时，三种工艺相结合，大大的缩短了污水深度处理时带来的能耗高，处理工艺复杂等一系列问题，提出了未来污水深度处理的发展方向和概念，为污水行业以及各用水企业对污水处理的回收利用提供可行性方案和现实依据。 本技术发明是以实验室微滤中空纤维膜丝以及高通量抗污染纳滤中空纤维膜丝材料为基础，经过工艺计算和工艺设计，自制小型模拟改进污水深度处理体系，对污水处理流程进行优化和改进，通过进一步污水深度处理实验，使用市政污水为模拟体系，考察一系列无泡曝气和纳滤抗污染性能指标。
科学性、先进性
- 1、通过改进普通生物曝气膜装置，采用无泡曝气技术使其能耗大幅度降低，并且传质效率明显增高。 2、采用低压下高通量纳滤中空纤维膜材料，产水质量远优于超滤膜，并且其能耗以及成本远低于反渗透，可以取代污水处理中双膜工艺，进一步减少设备费用和操作费用，降低成本。 3、结合吸附技术，无泡生物曝气与纳滤相结合，对污水进行充分深度处理，使过程连续化，自动化，可控化，进一步提高污水处理能力，对未来实现污水深度处理工业化有重要的指导和实践意义。
获奖情况及鉴定结果
- 无
作品所处阶段
- 实物，中试
技术转让方式
- 专利权转让或专利实施许可等
作品可展示的形式
- 实物，视频
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 技术特点和优势： 1、使用无泡曝气方式代替传统曝气方式。 2、使用纳滤膜进行污水深度处理。 3、自行设计实现污水的连续处理。 适用范围：无泡生物曝气以及纳滤中空纤维膜可用于化工污水，市政污水等含有大量NOM（有机污染物）污水深度处理。 市场分析和经济效益预测： 采用无泡曝气装置以及高通量纳滤污水处理技术不仅能够大大的降低生物曝气的耗能，解决超滤同反渗透组成的污水处理双膜工艺出现的各种问题，而且可使成本以及占地费用显著减少。而采用无泡曝气不仅可以节约成本，且通过有效的自动化控制可使操作费用远低于旧工艺。以此计算，目前石化或市政污水每吨的处理费用为6~7元（人民币），若采用此方案，污水处理费用至少可以从操作成本和装置成本上减少费用，那么每吨水保守估计可以降至3元左右。
同类课题研究水平概述
- 从上个世纪七十年代开始，膜处理污水工业就进入人们的视线。1977年，美国海军就利用薄膜研制离岸3至12海里和特定海区航行30多天以及近海连续航行40天的舰船的膜——生物反应器处理生活污水系统。该系统利用过滤、生物降解和紫外线消毒的原理，使处理的灰水水质达到规定的指标，并且具有浓缩污水污染物，减少储存体积，降低岸上排放成本等优点。由于微生物与膜的综合作用，大大提高了MBR系统单位容积处理污水的效率，故只需较小的污水储存容积。 在日本，近年来由于运行控制装置的发展， 间歇式活性污泥法已广泛用于小规模的污水处理。该法是在单一反应槽中，污水间歇地顺序流入与活性污泥混合，经曝气、污泥沉淀、上清水排出，所得处理水质与标准活性污泥法几乎相同。除氯工艺已采用改进活性污泥循环法。考虑到节能、去除率、设施缩小等问题，开发了多级式气提循环法，这样前级循环中残留的硝酸态氯可在后级的脱氮槽中除去，使氯去除率达80％-85％ ，水处理所耗电力亦可节约25％。 德国是世界上环境保护工作开展较早做得较好的国家，污水处理设施比较完善，目前已基本不需再新建下水道和污水处理厂，在污水、污染物处理方面已积累了很多值得借鉴的经验。 而目前我国污水深度处理才刚刚起步，人们对于污水深度处理的认识随着环境的变化和国际对中国的要求随之深入。目前，国内污水处理前城市污水处理厂普遍采用的工艺有普通活性污泥法、氧化沟法、SBR(间歇式活性污泥)法、A-B法等，而并没有进行更深一步的处理。这些虽然都是成熟而有效的污水处理工艺，但是存在着耗能大，效率低等问题，不能满足国家对环境“十二五”计划提出的要求。 本科技发明是基于大量的国内外参考文献以及实验基础而设计的，目前在国内还没有相对应的设计工作。生物膜法中纳米气泡曝气装置与纳滤相结合是我们提出的污水深度处理的理念，结合国家高效节能减排的目标，全部由学生动手制作，并且通过实验证明取得了良好的污水处理效果。此科技发明再次验证了其优良的可实践性。
